基于微震监测的中深埋煤层导水裂缝带发育规律研究

2023-01-29夏冰冰张慧峰樊江伟侯恩科

中国煤炭 2022年12期

刘超，夏冰冰，白坤，张慧峰，樊江伟，马越，刘鹏，侯恩科

(1.陕西小保当矿业有限公司，陕西省榆林市，719302；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054)

0 引言

榆神矿区位于陕北侏罗纪煤田腹部地带，是首批国家规划矿区，煤层赋存条件好、储量大。矿区地处毛乌素沙漠地带，生态环境脆弱，水资源短缺。随着煤炭资源的规模化开采，必然会造成煤层上覆岩层的破坏，使地下水资源遭到破坏[1-3]，同时对矿井安全生产造成威胁[4-6]。因此，查明煤层导水裂缝带发育规律具有重要意义。

煤层埋深小于150 m为浅埋煤层，大于150 m小于600 m为中深埋煤层，大于600 m为深埋煤层[7]。目前，陕北侏罗系煤田主要开采浅埋煤层，针对浅埋煤层开采覆岩破坏和导水裂缝带发育规律，众多学者对其进行了研究。许家林等[8]通过对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行研究得出神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法；黄庆享等[9]通过物理模拟实验揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律，发现地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形岩柱”结构；杨达明等[10]通过改善钻孔漏失量观测方法及仪器提高了观测精度并得出导水裂缝带高度；寻博辉等[11]、徐树媛等[12]分别基于最小二乘支持向量机模型和RBF核ε-SVR预测模型对导水裂缝带高度进行了预测；侯恩科等[13-14]对浅埋煤层过沟开采上覆岩层的扰动破坏规律与裂隙发育特征进行了研究，并对沟道裂缝治理提出了相应方案；来兴平等[15]采用物理相似材料模拟，综合运用钻孔监测、数值模拟以及SPSS软件相结合的方法得出导水裂缝带高度与松散层厚度呈指数函数关系，并拟合出导水裂缝带高度预测经验公式；孙庆先等[16]运用钻孔冲洗液漏失量、钻孔彩色电视和井下瞬变电磁法3种技术手段对煤层综放开采上覆岩层“两带”高度进行了探测，分析了各探测方法优缺点；谭毅等[15]通过研究非充分采动下浅埋坚硬顶板“两带”高度，得出导水裂缝带的高度整体呈阶梯型突跳变化的结论。

目前，学者们针对浅埋煤层导水裂缝带发育规律做了大量研究，但随着榆神矿区众多中深埋煤层区域井田逐步投入生产，该矿区中深埋煤层开采势必与浅埋煤层开采覆岩导水裂缝带发育规律有所不同。因此，笔者以中深埋煤层井田小保当一号煤矿112201工作面为研究对象，采用井-地联合微震监测技术对其顶板导水裂缝带发育规律进行研究，对研究相似地质条件下煤层开采覆岩导水裂缝带发育规律提供借鉴。

1 研究区概况

小保当煤矿位于陕北黄土高原北端，毛乌素沙漠东南缘。矿井大部分地域被第四系风积半固定沙丘和固定沙丘所覆盖，以风蚀风积沙漠丘陵地貌为主。地形总趋势为西南部高东北部低，可采煤层为中深埋煤层。

小保当一号煤矿112201工作面主采2-2号煤层，平均埋深302 m，工作面走向长度4 560 m，宽度350 m，采用大采高综采一次采全高开采工艺，采高约为5.8 m，推采平均日进尺12.5 m。根据该工作面地层与煤层钻孔揭露情况，揭露的地层由老至新依次为侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，新近系上新统保德组(N2b)、第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)和第四系全新统风积沙(Q4eol)，其中延安组为唯一含煤地层。

2 微震原理及监测方案

2.1 微震监测技术原理

井-地联合微震监测技术是通过在地面不同高程、井下巷道同时布置多个观测点，所布置的观测点包围监测区域，利用多道检波器分别接收各个监测点地震波的时间和波速，然后通过计算各监测点接受信号的地震波时间差来提高定位精度，组成方程组，得出震源位置。本次采用井-地联合微震监测技术对小保当一号煤矿112201工作面顶板覆岩破坏所产生的微震事件进行长期动态监测，并根据工作面实际推采进度对观测点进行调整。

微震监测系统的关键组成包括传感器、采集仪和主机三大部分。传感器可识别并捕获煤岩体破裂产生的弹性波；采集仪可对捕获到的微震信号进行采集和记录；主机可对采集到的微震信号进行查看、分析和处理。微震监测系统如图1所示。

图1 微震监测系统

2.2 微震监测方案

受实际情况影响，本次监测共分为2个阶段，从112201工作面距开切眼3 600 m处开始监测，一阶段监测范围500 m，监测时间为2019年8月23日至10月7日；二阶段监测终采线到前方120 m 区域，监测时间为2019年11月17日至12月11日。

根据高低相间、均匀分布的测点布置原则，结合监测区实际地质条件，在一阶段监测区域地表设计7个微震监测点、井下工作面两侧巷道分别各布置3个监测点，共计6个监测点，二阶段监测区域地表设计7个微震监测点，井下工作面西南侧巷道布置2个监测点、东北侧巷道布置3个监测点，共计5个监测点。

通过加强混凝土养生，可防止混凝土因内外温差而出现开裂情况。在完成混凝土浇筑施工后，须及时修整缓凝土裸露面，并对承台顶面的高程进行复核。待混凝土初凝后可采用双层土工布进行覆盖、洒水，时间至少14d，并安排专人负责，洒水的频率需结合每天的天气情况而定，但需确保土工布具有较大的湿度。

地面部分监测点及井下监测点会随工作面回采进度调整位置以保证监测信号稳定，一阶段井下监测点(包括移动测点)共计12个。研究区地面和井下所有微震测点位置如图2所示。

图2 研究区微震测点位置

检波器安装如图3所示。在地面检波器的安装过程中，为克服地震波在地表沙层中的衰减作用，将地表沙层清理一定深度后将检波器接入2 m的钢筋插入到红土层，使地表检波器可以接受质量较好的微震信号，如图3(a)所示。112201工作面两侧巷道以交错方式分别布置3个动态监测点，相邻测点间距100 m。当工作面向前回采100 m，将工作面后方的检波器向前移动，相邻距离仍为100 m。井下每个测点安装1个检波器，3个检波器连接1台数据采集仪。检波器采用锚杆安装法，即检波器转接头与顶板锚杆连接，通过锚杆接受微震信号，如图3(b)所示。

图3 检波器安装

系统标定是指标定微震系统的定位精度及反演地层速度，通常做法是选择3个已知坐标的位置作为炮点放标定炮，即把起爆位置当成一个已知的点震源，然后对点震源起爆发出的信号进行反演计算得出炮点坐标，从而达到定位的目的。

通过对比炮点的实际坐标和计算坐标的差异进行地层速度反演。本次监测定位信息见表1。

根据表1定位误差值，3个炮点反演的精度较高，误差最大为3号炮点ΔX(X方向误差)的3.2 m，误差最小为1号炮点ΔY(Y方向误差)的0，高程最大误差为3号炮点ΔZ(Z方向误差)的0.70 m，误差均较小，满足精度要求。

表1 标定炮定位信息

3 微震事件分布特征及覆岩破坏规律

3.1 工作面微震事件分析

将微震事件标高按每10 m间隔区间划分，进行微震事件个数统计，如图4(a)所示。由图4(a)可以看出，随着标高上升，微震事件也逐步上升，在+1 010～+1 020 m区间内微震事件数量达到顶峰，之后随着标高的上升，微震事件数量逐步下降，总体来看，微震事件主要发生在标高+950～+1 110 m区间内，说明顶板破裂主要集中在该范围内。在+1 110 m之上依然有微震事件产生，但数量较少。

图4 微震事件统计

将微震数据从开始监测日期(2019年8月25日)到监测结束日期(2019年12月11日)按7 d划分，分别为8月25-31日、9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，做微震事件在不同时间间隔微震事件数量折线，如图4(b)所示。由图4(b)可以看出，在第一阶段和第二阶段监测初期(2019年8月25-31日、11月17-25日、11月26日-12月2日)，微震事件在各标高区段数量相对于监测中后期较少，原因是由于在工作面回采过程中，工作面前方覆岩应力平衡被破坏，覆岩所受应力增大，覆岩破裂超前工作面发育，故而导致在监测初期微震事件数量较少；在2019年9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，微震事件主要集中在+940～+1 110 m之间。

3.2 工作面覆岩破坏规律

监测期间微震事件定位分布结果如图5所示，工作面走向微震事件分布如图6所示。

图5 微震事件定位分布结果

图6 微震事件沿工作面走向分布

破裂点主要集中在112201工作面监测区域内，整体走向与工作面走向垂直，除112201工作面内的破裂信号，工作面两侧同样分布部分破裂信号。从图6来看，破裂点基本分布在标高+940～+1 200 m范围内。

3.2.2 微震事件密度分析

根据前文数据划分时间绘制各个时间段工作面走向微震事件密度，密度半径参数取50，利用距离平方加权的数学方法生产密度，结果如图7所示。

图7 工作面走向微震事件密度

图7(a)～7(e)为第一次监测微震事件密度分布，图7(f)～7(h)为第二次监测微震事件密度分布，微震事件总体上随着工作面的推进向前均匀发育，第一次监测微震事件的投影密度比第二次监测的微震事件密度大。分析认为112201工作面在末端回采过程中开采强度低，同时回采过程中顶板的漏矸问题对112201工作面末端进行了人为加固；在第二次进行监测之前，112201工作面末端煤层顶板之上覆岩已经发生破裂，故而出现第二次监测微震事件密度小的情况。

一阶段检测期间，以微震事件密度值600作为微震事件高密度区域的标准作为导水裂缝带发育高程，从开始监测到监测结束，微震事件高密度区域顶界面高程见表2，在一阶段监测期间，112201工作面内上方微震事件高密度区域顶界面高程达到+1 115 m；二阶段检测期间，工作面回采至终采线时，同理可得112201工作面内上方微震事件高密度区域顶界面高程达到+1 123 m，终采线附近顶界面导水裂缝带高程略大于工作面内导水裂缝带高程。

表2 微震事件高密度区域顶界面高程(2019年)

4 微震导水裂缝带高度结果分析及验证

4.1 导水裂缝带高度结果分析

本次微震监测采用微震事件空间密度分布和各时段垂向分布特征综合分析确定导水裂缝带高度。从表2和图7可以看出，在监测初期，微震事件高密度区域顶界面高程都较低，这是因为顶板覆岩破裂存在超前发育的情况，在监测之前，监测区域顶板破裂已经产生，但是这些破裂的微震信号并没有被接受，故而出现监测初期微震事件较少的情况。

综上，微震事件主要集中于标高+940～+1 160 m 范围内，在标高+1 087～+1 115 m阶段微震密度达到最大值，根据煤层埋深与微震事件高程差，综合判定导水裂缝带最终为154～163 m，裂采比为26.55～28.10。2019年12月3-11日时间段工作面回采至终采线时，终采线附近微震事件相对工作面其他区域微震事件的高度相对突出，导水裂缝带高度为168 m，裂采比为28.97。

4.2 微震监测结果验证

为验证微震监测导水裂缝带结果的准确性，选取112201工作面附近“三带”钻孔XSD4进行验证，钻孔位置如图8所示。XSD4钻孔漏失量变化曲线如图9所示。

图9 XSD4钻孔冲洗液漏失量变化曲线

根据钻孔冲洗液漏失量变化曲线，钻孔钻至124.80 m时，距离2-2号煤层顶板175.57 m，钻液漏失量从0.45 L/s突增至3.15 L/s，且循环液中断，钻液无法返回地面，因此可以得出导水裂缝带顶界位置为124.80 m，即导水裂缝带高度为175.57 m，2-2号煤层采高5.80 m，裂采比为30.27。钻孔实测裂采比与本次结论所得裂采比误差较小，表明该方法的探查结果相对可靠，能够为该矿区相似地质条件煤层开采提供参考依据。